JP4627946B2 - 誘電泳動装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は誘電泳動の技術を用いた装置と方法に関し、特に粒子の濃縮または希釈または輸送または分離または検出または特徴付け用の配置に関する。
【０００２】
誘電泳動（ＤＥＰ）の技術は、「医薬および生化学におけるナノテクノロジー」、ＲＲＥ ＣｏｍｂｓおよびＤ Ｗ Ｒｏｂｉｎｓｏｎ編，Ｇｏｒｄｏｎ ＆ Ｂｒｅａｃｈ出版，アムステルダム、Ｒｏｎａｌｄ Ｐｅｔｈｉｇの１１章、ことに８８ないし９３頁に記載される。誘電泳動は、不均一電場における粒子の移動である。電気泳動と違い、粒子それ自身の電荷はその作用を起こすために必要でなく、ＤＣ場よりむしろＡＣ場が利用される。
【０００３】
電場が液媒中に懸濁した粒子からなる系に適用される時、双極子モーメントは、通常、それらの構造を規定するその界面で電気的分極を形成する結果として各粒子中に誘導される。もしその場が不均一であれば、該粒子は、該粒子とそれらの周囲の媒体の電気的特性に依存した大きさと極性の、誘電泳動力として知られる、並進力を受ける。この力は、適用した電場の大きさと周波数の関数でもある。
【０００４】
ＤＥＰの技術の一つの応用が、ＷＯ９８／０４３５５，Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｇｒｏｕｐ中に記載され、ここでは粒子−含有液が、異なる周波数でシグナルが印加される電極の櫛状アレイを越えて流動され；異なる特性の粒子は、該粒子が特徴付けできるように、該アレイの異なるＤＥＰ領域に優先的に向かって、またはそれから離れて移動する。流動流体が使用される。
【０００５】
進行波ＤＥＰの技術は、Ｐｅｔｈｉｎｇ，１１章、９３ないし９７頁にも記載される。該技術の一つの使用がＷＯ９７／２７９３３、テキサス大学、に記載され、ここでは粒子−含有液が、進行波ＤＥＰ、空中浮揚、およびフィールドフロー分画の組合わせによって懸濁した粒子の分離および特徴付けができるように、異なる相でシグナルが印加される櫛状電極のアレイを越えて平らなセルを通して流動させる。流動流体が使用される。
【０００６】
通常の（すなわち進行場または回転場よりむしろ定常場を用いる）ＤＥＰにおいて、図１中に示された型の城郭風の電極を用いることも知られ、ここでの各電極１０は反対側に交互に配列された半円状突出部１４を有する直線状バックボーン１２を含む。あるいは、該突出部は本質的に四角形とすることができる。該電極アレイにおいて、電極に隣接した該突出部１４は、図示したように並べまたはオフセットにできる。該電極は通常のＤＥＰ用に、すなわち非進行場用に使用される。
【０００７】
本明細書を通して、用語「粒子」は、生物学的細胞、細菌、ウイルス、寄生性微生物、ＤＮＡ、タンパク質、バイオポリマー、非−生物学的粒子、または液体中に懸濁させることができ、誘電泳動力が誘導され得る他の粒子を含むように用いられる。それは液体中に溶解したまたは懸濁した化合物または気体にも適用される。
【０００８】
本発明によると、誘電泳動セルは、細長い電極のアレイと、該電極に少なくとも一つの電気的シグナルを印加するための手段とを含み、各電極はその長手方向に沿って概念的中心軸を有し、該電極は該概念的中心軸からの１つ以上の偏位を有し、かつ該アレイ中の該電極は、見当合わせされた状態にある。
【０００９】
ショーターオックスフォード辞典において、「偏位（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）」は「１．曲がりの作用−曲がり状態；曲がりまたはカーブ．２．屈曲の作用、または直線または通常コースから屈曲されている状況」と定義される。
【００１０】
一つの例において、該電極は、それらの曲率が見当合わせされた、蛇行形である。別な例において、該電極は、それらの点が見当合わせされた、ジグザグ形である。
【００１１】
一つの例において、アレイ中の該電極は、全てが同一であり、互いに平行である。別な例において、該電極の形状は、該アレイに沿って漸次変化する。
【００１２】
さらに本発明による誘電泳動方法は、電極のアレイの近傍において液体中に粒子の懸濁物を配置することを含み、粒子が最大の曲率に一致する該電極の領域に包含され、またはそこから排除されることによって該アレイは規定されかつ該アレイに少なくとも１つの電気的シグナルを印加する。あるいは、粒子は最小の電極曲率に一致する該電極の領域に含まれ、またはそこから排除され得る。
【００１３】
米国特許第４５３４８５６号においてＷｅｉｓｓとＴｈｉｂｏｄｅａｕｘは、農産品副産物中の顆粒とダストのような分離成分用の電気力学的方法を記載する。この成分の分離は、電気進行波を生成する平行電極のセット上でそれらを電気的に荷電することにより達成される。この進行波は、６０Ｈｚ、３相、高電圧発生器を用いておよび１０，０００ボルトまでのおよびそれ以上の電圧を印加される該電極にエネルギー付与することによって生成される。米国特許第４５３４８５６号において該成分粒子に作用する力は自然な静電気であり、本発明で記載した約１ｋＨｚから１００ＭＨｚ間での範囲の高周波シグナル、および１−２０ボルトの範囲内の限られた電圧のみが利用される誘電泳動力と言うよりはむしろ、荷電した物体上の電場の作用に含まれる。
【００１４】
ＷＯ９７／３４６８９Ａ１は、誘電泳動を用いるチャネルに沿って粒子を操作するための装置を記載する。図３は、いわゆる組み合わせた、城郭型の電極配置を示す。これは、蛇行幾何学的配置ではない。該城郭は、正の誘電泳動力によって該電極城郭端で粒子を急速に捕捉できる高度に不均一な場パターンを作るように設計される。該城郭の効果は、本発明の装置および方法によって達成できる交通整理または粒子篩効果を得ることはできない。
【００１５】
ＷＯ９８／０４３５５Ａ１は、どのように粒子が正しい一つの試験を用い広範囲にわたり誘電泳動力に応答するかを特徴付けるための方法を記載する。該粒子は、ＷＯ９８／０４３５５Ａ１の図３中に示したように、電極要素のアレイを含むチャンバー中に懸濁される。各電極は、広範囲の異なる誘電泳動力を生成するために、異なる電気的周波数でエネルギー付与される。この範囲にわたる誘電泳動応答は、それぞれの電極要素に向かって引き寄せられまたはそれから反発されるかのいずれかである。ＷＯ９８／０４３５５Ａ１は、本発明の装置と方法を用いて達成される進行電場または交通整理効果を用いてはいない。
【００１６】
米国特許第５７９５４５７Ａは、定常誘電泳動力を用い粒子を操作するための方法を記載し−進行電場は利用していない。米国特許第５７９５４５７Ａ中の中の図１Ｂ（１）（ａ）では、いわゆる組み合わせた、城郭形デザインと称される、使用できる電極配置の一つが示される。これはＷＯ９７／３４６８９Ａ１の図３に示されたのと同じ電極幾何図形的配置であり、前記した通り、これは蛇行形幾何図形的配置ではない。該城郭は、正の誘電泳動力によって電極城郭端で粒子を急速に捕捉できる高度に不均一な場パターンをもたらすように設計される。該城郭の効果は、本発明の方法および装置によって達成できる交通整理または粒子篩効果を生じることはできない。
【００１７】
添付の図面を参照して本発明を説明する。
【００１８】
図２において、ガラス基体２０は、その上面上に、各々が多重コネクタ２４によってシグナル発生器２６に接続された蛇行電極のアレイ２２を有する。該基体２０は、保護カバー２８（好適には第２のガラス基体）によって被覆でき、該基体は、図示していないが薄いセルを形成するようにスペーサにより分離されている。好適なスペーサはプラスチック細片である。変形例において（図示せず）、電極アレイ２２は、保護カバー２８上に形成し得る。
【００１９】
該ＤＥＰセルは、光源３０によって下方から照明され、ディスプレイスクリーン３６に結合した光学顕微鏡／ビデオレコーダ３２により上方から監視される。
【００２０】
使用において、液体中の粒子の懸濁液は、基体２０上に配置され、カバー２８がその場所に置かれる。シグナル発生器２６は、該アレイ２２中の電極に異なる相のシグナルを印加するよう配置される。例えば、該シグナル発生器２６は、相対相０°、９０°、１８０°および２７０°のシグナルを連続的に電極に接続し、さらに全てのアレイ２２と交わるように該サイクルを反復する４相正弦曲線シグナル発生器とし得る。周知の通り、そのようなアレイは進行波ＤＥＰ状態をもたらす。あるいは、定常ＤＥＰ力は相対立（０°、１８０°、０°、１８０°、など）において連続して正弦曲線シグナルを隣接電極に印加することにより粒子に影響を及ぼすことができる。
【００２１】
該ＤＥＰセルは、光源３０により照らされ、そしてスクリーン３６に投影される。透過において、粒子は明瞭なエリアとして見られるであろうし、さらにその移動は該スクリーン上で明確に見ることができる。
【００２２】
該セルを通しての液流は必要でないことが注目される。
【００２３】
図３Ａないし３Ｆは、６つの異なる蛇行電極アレイを示す。各々の図示において、矢印は進行波場の影響下で該粒子の進行の一般的な方向を示し、さらに該場の中の進行のエリアもまた示す。
【００２４】
図３Ａにおいて、各々の電極は正弦曲線形状である。該図中、３つの正弦曲線サイクルが示され、各々の正弦曲線の最大および最小は見当合わせされた状態にあり、すなわち一直線上にある。該矢印は、該粒子が進行する領域を示している、これらの周期的な最大および最小と一致する。３つの矢印は、これら３つの中間の、反対方向を向いている２つの矢印と共に一方向を指し：該矢印は進行のチャネルを示すと見なすことができ、さらに反対方向への同時進行が異なる粒子の型によりできることを示す。該配列は交通整理システムと見なすことができる−反対方向の粒子進行は衝突ではない。
【００２５】
本質的に真っ直ぐな、平行電極を用いる周知の進行波ＤＥＰ（ＴＷＤ）配列において、全般的な進行波力は該電極に垂直に生じる時間平均並進進行力である。
【００２６】
本発明による蛇行電極アレイにおいて、全般的な進行波力は矢印で示される；その力は、電極形状に基づいて該粒子を一定の領域内に「濃縮」し、かつ他の領域からそれらを消散する。別の手法では、該粒子は幾つかの領域に包含されかつ該進行場の他の領域から排除される。
【００２７】
条件は、目的の粒子が一方向に進行し、かつ他の粒子が反対方向に進行するように選択できる。
【００２８】
図３Ｂにおいて、各々の電極は一連の半正弦曲線を含む。図３Ｂ中の左から右までの粒子進行の全ては、該矢印の方向において分離したバンドで進行すると見なすことができる。
【００２９】
図３Ｃにおいて、各々の電極は細長い「Ｃ」字形を含む。図３Ｃ中の左から右までの粒子進行の全ては、該進行場の外側領域から排除される。これは、該場の端で、物理的な壁がある時、それによって突出または該粒子に対する他のダメージを避け、かつ隣接した壁への粒子粘着のような該プロセスにおける損失を防ぐために有効となり得る。付加的な効果は、結果的に「目詰まり」が減じられること、すなわち壁表面で凝集と一緒に粘着する複数の粒子の傾向を最小化し得ることである。
【００３０】
図３Ｄにおいて、各々の電極は直線側腕間が結合した片半正弦曲線の形状を有する。このアレイにおいて、粒子は曲がった部分（主として最大曲率で）と一致して進行する。右から左への粒子進行は、該アレイの中心の曲がった部分に相当するエリアから排除される。該配置は一方向チャネルまたはバルブと見なすことができる。
【００３１】
図３Ｅは、各々の電極が、各々の電極の最大曲率の位置が平行な曲線に沿って配置されるようにその近くから僅かにずれたことを除いて図３Ｂと類似である。矢印で示された該４つのチャネルは、該配置が前もって可能であるよりも小さい半径の粒子周囲のコーナーをガイドするために使用できるよう曲げられる。
【００３２】
図３Ｆは該電極が蛇行に代えてジグザグ形状であることを除いて、図３Ａと類似である。
【００３３】
図３Ｇにおいて、該電極はそれぞれ完全な正弦曲線が５つの直線で表されている、図３Ａの正弦曲線に直線近似である；または該電極は、平坦化した点を持つ図３Ｆのジグザグと見なすことができる。該チャネル中の矢印は、該チャネルの中央で直線部分中の粒子が進行の方向に関係なく、その領域中に残留するであろうために、図３Ａと３Ｆ中の矢印と対照的に、進行の可能性のある両方の方向を現に指している。電極の「並進」領域中の、すなわちチャネル間の粒子は、図３Ａと３Ｆ中に示した通り移動するであろう。図３Ａと３Ｆの配置はそれ故に好適である。
【００３４】
図３Ａないし３Ｆの精査は、該電極の全ての共通の特徴が、それらが２つ以上の異なる曲率、反対方向の曲がり、または曲がった部分および幾つかのケースにおける直線部分のいずれかを有することである。別の例において、電極アレイは一連のＣ−形状電極、すなわち単一湾曲を含むことができる。蛇行電極の他の形状もまた可能性がある。
【００３５】
蛇行またはジグザグ電極アレイの適当な形状の選択によって、チャネル内に進行粒子をガイドすること、それらを帯状に形成すること、装置壁のような、液流を機械的に束縛するものから粒子が離れるようにガイドすること、およびより容易に丸いコーナーにそれらをガイドすることが、それ故に現に可能である。粒子は、ＤＥＰ場の特有なエリア中に包含でき、またはそこから排除できる。これは、粒子を進行場中に正確に配置することを許容し、それの検出を容易にする。加えて、該技術は、例えば抗体−被覆した物体または表面に向けて粒子をガイドするために使用できる。
【００３６】
図４は、図３Ａの電極アレイと図２の全般的な配置を用いる粒子移動を示す。アレイ２２中の６４個の電源曲線電極をフォトリソグラフィーによりスライドガラス２０上に形成し、さらに金の層で被覆したクロムの層を含む。各々の電極は、ほぼ１０マイクロメートルの幅であり、電極間の間隔は中央チャネル領域で約３０マイクロメートルである。水中に懸濁した生存酵母細胞の培養物を用い、該細胞濃度をミリリットル当たり一千二十万細胞とし、懸濁液の伝導性はメートル当たり１０．５ｍＳとしている。該実験の前に、該電極は、それらの清浄化の一助として一時間にわたり超純水中に浸漬した。該実験において、該粒子の空中浮揚にのみ１５０キロヘルツで定常ＤＥＰシグナルを印加することにより、負のＤＥＰ力の結果として、並進成分なしで生じることが見出された。
【００３７】
該実験において、ピークからピークを３ボルトで１５０キロヘルツの周波数での定常ＤＥＰシグナルを、該アレイ２２中の全ての電極に印加した。該酵母細胞懸濁液は、次いで該電極と頂上に配したカバー細片２８にわたり供給した。その１５０キロヘルツシグナルは、電極上で空中浮揚すると共にに該酵母細胞の粘着を最小化する該粒子を生じた。数秒後、５０キロヘルツ、３ボルトピーク間進行波ＤＥＰ場を印加した；該酵母細胞は、該進行波に沿って移動を直ちに開始し、さらに図４Ａから見ることができるようなバンドの形成を始めた。
【００３８】
大きな矢印は、該細胞の移動の全般的な方向を示し、小さい矢印は、それらの細胞がバンドを形成するように、それらが一方のチャネルから排除されかつ他に包含されるような該細胞の局部的な移動を示す。該写真の左側で、５つのチャネルはチャネル番号を各々与えた。
【００３９】
図４Ｂは、図４Ａの約３秒後に撮った写真である；該細胞は、右に移動するのを見ることができ、チャネル２および４中により密集してバンドとなっており、かつチャネル１，３および５から大部分が排除されている。
【００４０】
図４Ｃは進行波場方向が変わった後に撮られた。該細胞は、右から左に現に進行しており、該バンドはチャネル２と４の外に、かつチャネル３と５の中に移動しているのを見ることができる。図４Ｄは３または４秒後に撮られたもので、バンドへの移動がより一層顕著である。
【００４１】
図４Ｅは、数秒後のバンドを示し、該細胞が左に移動されるように、該細胞移動がチャネル３と５中の明確なエリアを離れるように開始されていることを示す。
【００４２】
図４Ｆは、左側のチャネルに沿ってさらに撮った写真であり、該バンドが該チャネルに沿って均一であることを示す。
【００４３】
電極にわたって点在する少数の細胞は、ガラスに粘着されて移動しない。そのような高い細胞濃度で、該細胞の幾らかの粘着は普通に起こり；これはガラス上の特別なコーティングの使用によって、または界面活性剤またはタンパク質（例えばカゼイン、変性アルブミン）のような生化学的添加剤のような化学薬剤を用いること、および基体としてポリマー材料を用いること、またはガラス基体上にポリマー材料のフィルムを配置することによって減じることができる。
【００４４】
図４中の実験結果は、粒子が進行場の方向に沿って、バンド状に形成できること、およびそれらのバンドで移動するであろうことを示す。高い粒子濃度で、バンドの進行は、特に有効であることが見出されている。蛇行電極幾何図形的配列の使用は、かくして誘電泳動技術を用いて以前に可能であったよりもより容易に、非常に高い粒子濃度の取扱いを許す。
【００４５】
もし異なる特性の２つの粒子集団が存在するならば、条件は、それらが２つの粒子の型の分離を許容することを妨げない反対方向に進行させるように選択できる。該技術は低い粒子濃度で行われるが、しかし集合した粒子濃度が、立方センチメートル当たり百万または一千万粒子、またはより高いように非常に高い時、特に有効となることもまた見出されている。有用な潜在的な商業的適用は、唾液または便から細菌を取り出すこと；血液から幹細胞、胎児細胞またはガン細胞を取り出すこと；または脊髄液から髄膜炎ウイルスを取り出すこととし得る。これらケースの少なくとも幾つかにおいて、除去されるべき粒子の数は、おそらく存在粒子の数に比較して非常に少なく、高い粒子濃度で働くその能力は、実践的な時間スケールで有効となり得る分離を可能にする。
【００４６】
実験は、図３Ａと４中に示したそれらに類似した電極配列を用いてヒト血液細胞で達成されている。用いた電極は、中央チャネル領域で１７μｍの電極間隔を持った８μｍ幅のものであった。実験は、ミリリットル当たり約５ｘ１０^８細胞の濃度の（すなわち、立方センチメートル当たり５億個細胞）、全血の１０倍の希釈による非常に高い細胞濃度で達成した。多相シグナルを該電極に接続し、該血液細胞をＴＷＤ力で移動させた。全血の２０倍希釈液（すなわち、ミリリットル当たり約２．５ｘ１０^８細胞の濃度）が、粒子の正確な移動というよりはむしろ分離が望まれる場合、特に分離するべき細胞間に大きな濃度の相違がある場合に好適であることが見出されている。細胞濃度間の相違はかなりの、白血球細胞について約７００の赤血球細胞となっていた。
【００４７】
蛇行電極デザインの特に有用な適用は、英国特許出願９９１６８４８．６に開示されるシグナルスーパーポジションの技術およびそれに基づいた、およびこの出願と同時に提出した国際出願に含まれる。
【００４８】
一つの実験において、ヒト全血の６ミリリットルサンプルをリチウムヘパリン管中に採取し、そして１５ｍＳ／ｍの伝導率の最終懸濁液を与えるように、１時間以内にショ糖、ブドウ糖、ヘパリンおよび塩化カルシウムを含むリン酸緩衝化食塩水で４０倍に希釈した。該蛇行電極は、それらが試験チャンバー中に導入される時、電極平面上に血液細胞が空中浮揚するように２０ｋＨｚ、０．６Ｖｒｍｓ定常ＤＥＰシグナルでエネルギー付与した。このＤＥＰシグナルは、次いで除去され、さらに２つのＴＷＤシグナル、一方は５０ｋＨｚ、０．３２Ｖｒｍｓ前進進行波を、かつ他方は４００ｋＨｚ、０．６４Ｖｒｍｓ逆進進行波を含んでいる、を印加した。血液細胞の大部分は、主に５０ｋＨｚシグナルの作用の下で、図４ｆで示したケースに類似してチャネル３と５に沿って急速に移動した。該血液細胞の、全数の５％以下のオーダーの少数は、電極上に捕捉されること、または図４ａ中に示したケースに類似してチャネル２と４に沿ってゆっくりと移動することが見出された。ｘ４０対物レンズを用いた顕微鏡精査は、白血球細胞につき約２０−２５赤血球細胞がチャネル２と４中の捕捉され、または移動していた。２０ｋＨｚ定常ＤＥＰシグナルの再印加において、捕捉された赤血球細胞はチャネル３と５内に導かれ、白血球細胞は放出されるとともにチャネル２と４に沿って移動した。これらの細胞は、主に好中球であると思われ、かつ毎秒１５ミクロンオーダーの速度でチャネル２と４に沿って移動した。４００ｋＨｚから１５０ｋＨｚまで低下させた逆進ＴＷＤシグナルの周波数の減少によって、より小さい白血球細胞が電極から放出され、チャネル２と４に沿って進行した。この希釈血液のための細胞分離システムは、異なるレベルの血液希釈と懸濁媒体組成で繰り返されており、それは、各々のケースにおいて重畳したＤＥＰとＴＷＤシグナル用の上記引用した特有の周波数と電圧値が前記した結果を達成するために適合されたことを予期できる。
【００４９】
蛇行電極の別な価値のある特性は、それが細胞分離効率を増加する篩作用において使用できることである。これは、分離した副−集団（標的）細胞を採集後、主要ＴＷＤシグナルがチャネル３と５に沿って細胞の主な塊と一緒に押し流され得る何れかの標的細胞を篩い分けするために逆転される操作のサイクルを通して達成される。チャネル２と４に沿って逆進方向へのこれらの細胞塊の押出しによって、最初の分離プロセスで漏洩しているであろう標的細胞は、分離されかつチャネル３と５に沿って進行する機会を得る。このプロセスは、標的細胞回収のための望ましい効率および分離の純度を達成するために要求される回数繰り返すことができる。
【００５０】
文献「進行電場を用いる細胞の電気的操作と分離」、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌｎ．Ｐｈｙｓ．２９、２１９８−２２０３頁（１９９６）において、Ｔａｌａｒｙらは、ＴＷＤ電極を用いて生育可能なおよび生育不可能な酵母細胞の分離を記載する。該酵母細胞は、血液細胞と同じオーダーのサイズであり、かつｍｌ当たり約１ｘ１０^４細胞の濃度が、幅１０μｍおよび１０μｍの電極間隔の通常の電極を用いるＴＷＤ力にかけられた。該公知文献中に含まれた図面から、ｍｌ当たり約１ｘ１０^４細胞オーダーの濃度が通常の電極配列を持つＴＷＤを用いる細胞の有効な操作と分離のための上限に近いと見られることが理解できる。これは、ｍｌ当たり２５，０００倍以上の増加を表している、図３ａ中の配列の蛇行電極を用いてのｍｌ当たり２．５ｘ１０^８細胞の細胞濃度と比較できる。さらに、Ｔａｌａｒｙによる公知文献において、異なる細胞型の同様の比率（すなわち生育可能および生育不可能な酵母）が、白血球細胞に対する赤血球細胞の比率が７００：１のオーダーであった（かなりより複雑な分離）、蛇行ＴＷＤ電極を用いる全血細胞の操作におけると同じく操作された。このように本発明によって、かなり大きい粒子濃度およびより大きい粒子型相違が取扱いでき、かつ該粒子が分離できる。
【００５１】
本発明の配列によって、低い濃度の粒子もまた、定常平行ＴＷＤ電極の適用と比較してコントロールの増加したレベルをもって取扱い、および粒子の操作、特徴付けおよび分離し得る。本発明は、たとえ適用においてその有利性が高い濃度を取り扱う時に最も顕著となり得るとしても、効果について粒子濃度の全ての範囲に適用し得る。
【００５２】
本発明の技術はまた、進行場に沿った粒子進行が漂流に役立ち得ることでＤＥＰの以前の欠点を克服する−その「集中効果」は、そのような漂流を最小化する本発明により達成される。ＤＥＰ場下の移動は、比較的十分な漂流を生じ得る、流体力学的な液流とは現に区別することができる。流体力学的な液流は、電気場によって生じた加熱効果により誘導できる。
【００５３】
図５は、異なる特性と異なる濃度の粒子の異なる型の分離用の電極配列を示す。条件は、該粒子が反対方向の進行により同じ進行場に対応するように選択される；これは、例えば印加した電圧シグナルの特性、または懸濁液の誘電率または電気的誘電率の変更、または懸濁液の温度の変更または化合物の一様な添加により達成できる。
【００５４】
図５から見られるであろうように、該図の上部で電極は、見当合わせされた状態の正弦曲線の２つのサイクルの形状であるが、しかし該図の下部で、該電極は大部分が直線によって分離された２つのサイクルの形状であり、該電極形状は一方から他方まで漸次変更されている。
【００５５】
操作において、該サンプル懸濁液は、電極アレイの下部に対して導入され、または全体の電極アレイ上に直接配置できる。高い濃度の粒子は、中央チャネルにおいて該図の頂部に向かって移動するように配置され、一方低濃度の粒子は２つの外側チャネルに沿って下流に移動されると共にに、該アレイの中央エリアから離れて分岐される。
【００５６】
実施において、高い濃度の粒子は、低い濃度の粒子の幾つかを捕捉でき、かつそれらを上方に搬送する。これは、低い濃度の粒子について進行波ＤＥＰの効果と反対であり、さらに結果的にそれらはそれ自身フリーとなり要求の通り２つの外側チャネル内に移動する−該中央チャネルの基本的な長さ、例えば０．５ないし５ｃｍは、この可能性を最大にする。捕捉からのこの離脱をさらに促進するため、該進行波場は、一時的に停止してよく、該粒子がそれらバンドに分散するのが少なくなり、従って低い濃度の粒子の離脱が促進される。同じく「転移」効果は、場の方向を一時的に逆転することにより達成できる。この「転移」効果は、血液細胞のように、一緒に凝固する傾向にある粒子で実行する時にことに有効である。
【００５７】
図５の配列は、例えば天然大腸菌からのサルモネラ菌のような生物および便のサンプル中の細菌を分離すること、または血液からガン細胞を分離することにおいて適用し得る。この転移効果を用いる細胞分離は、図３Ａまたは３Ｂのそれのような他の蛇行電極幾何図形的配列を用いてもまた達成できる。
【００５８】
一定容量の液体中１つ以上の型の粒子を分離する、または濃縮する、または希釈すること、および第２の型の粒子を捨てることの要求がある時、図６の配列が使用できる。該電極は、太線、真っ直ぐまたは曲がった、として示されるが、各々の電極は実際には図３Ａ中に示したそれのように蛇行電極である。
【００５９】
蛇行電極は、２つのエリアに配置される；各々の蛇行電極が真っ直ぐな軸を有し、さらに該軸が平行かつ該図を交差している、中央エリアＡ−拡大視で示したように−および蛇行電極の軸が「Ｕ」字形である外側エリアＢ。外側エリアＢは、従って電極軸が真っ直ぐである２つの側腕Ｂ１，Ｂ２と、電極軸が曲がった中央接続部分Ｂ３を有する。
【００６０】
粒子の混合物の懸濁液は、エリアＡとＢの両方で電極と接して配置され、かつその分離は３つの工程で行われる：
【００６１】
１．第１希望型の粒子が図中下方に進行して中央電極エリアの下端に集められ、かつ第２希望型の粒子が上方に進行して外側電極エリアＢを越えて移動するようにシグナルが中央エリアＡ中の電極に印加される。適当な電極形状の選択によって、該粒子は異なるチャネルに沿って反対方向に進行する。
【００６２】
２．シグナルが中央エリアＡ中の電極から停止され、希望型の粒子が内側エリアＡに向けて進行し、他の型の粒子が他方に進行しエリアＢの端から離れるように外側エリアＢに印加され、そして停止される。
【００６３】
３．希望粒子型が下方に移動し中央エリアの底部に集められるようにエリアＢに対するシグナルが停止され、エリアＡに再接続される。
【００６４】
変形例において、多層形成技術が使用され、内側および外側エリアＡとＢは薄い絶縁層により分離された、それらの端で積層される；粒子が捕捉物となり得るエリアはなくなる。粒子操作の多用途性を増加するために、電極エリアＡとＢの異なるエリアが別個に制御され得る。
【００６５】
一度本発明の技術が適用されているならば、分離されまたは濃縮された粒子型の選択は、それらが更なるＤＥＰ解析によって、または光学、超音波、電気的、磁気的、ＰＬＲ、ＦＩＳＨ等のようないずれかの他の技術によって解析または特徴付けできる位置に導くことができる。
【００６６】
全ての望ましい配置において、関連が該ＤＥＰ電極アレイ上に液体／粒子懸濁物を配置することで行われている。第１の代替例において、該懸濁物は、その反対面上に電極アレイを持った基体上に配置し得る。第２の代替例において、該懸濁液は該電極アレイ上にまたは近接して最初に配置され、そして該粒子は後方に導入し得る；例えば、図５のアレイにおいて、該粒子は該図の底で中央エリアに導入できる。第３の代替例において、該懸濁物は分離平面基体上または環状基体上に形成した２つ以上の対向電極アレイの間に配置し得る。しかしながら、通常のＤＥＰで用いられるそれのような液流の配置に基づく配置ではない。液流は使用し得るが、しかしそれは必須ではない。
【００６７】
更なる変形例が図７中に示される。先の全ての実施例において、図７上のｓで示された電極間隔は一定であったが、しかし該変形例において、該マーク／間隔比ｗ／ｓ（式中ｗは電極の幅である）は図示の通り電極アレイに沿って増加する。
【００６８】
図７Ｂは、蛇行電極４２の側面図を与え、かつ粒子ｐにおける力を示す。変化したマーク／間隔比の結果は、ラインＬで示した、該電極アレイ上の粒子の空中浮揚高さが増加することである。粒子ｐにかかる力、すなわち上方への空中浮揚力ｌ（進行波ＤＥＰ力の実数部分）、並進力ｔｗ（進行波ＤＥＰ力の虚数部分）、および重力ｇが示される。該粒子が右に移動するにつれ、該並進力はマーク／間隔比の増加の結果として減少する；粒子の空中浮揚高さが増加すると同時に、該粒子が該電極４２からさらになされるように並進力の更なる減少が起こる。ラインＬに沿う幾つかのポイントで、粒子サイズ、誘電泳動力の相対成分、電気場強度、および電極幾何図形的配列に基づいて、該進行力は、更なる進行が起こらないように、ゼロとなるであろう。異なる特性の粒子は、従って異なる間隔に進行し、そして異なる位置に存在する。粒子分離は、従って可能である。
【００６９】
変形例において、最初の空中浮揚は、定常ＤＥＰ場に印加されることによって、または該粒子が並進力を受けていない周波数でＴＷＤ場に印加されることによってのいずれかでもたらされる。
【００７０】
更なる変形例において、変更したマーク／間隔比電極を利用した結果として、一度粒子が分離されると、それの選択性を除去できることが望ましい。図８は、変化したマーク／間隔比電極４４のアレイ、このケースにおいて通常の線状電極、粒子の選択的な除去のため図３Ｂ中に示した（すなわち、一定のマーク／間隔比の）型の蛇行電極４６のアレイに近接した、を示す。該電極のアレイは、多層技術を用い形成され、または対向基体面状に形成されるいずれかとしてよい。異なる幾何図形的配列を組み合わせたこれら２つの電極アレイの利用は、異なる特性の結果として粒子分離、そして分離した粒子の選択的除去を与える。
【００７１】
例えば、粒子は矢印Ｉにより示されたように導入され得る。異なる特性の粒子は、電極４４のアレイに沿って異なる間隔を進行し、異なる位置に存在するであろう。これらの粒子は、電極４６によりチャネル「ａ」ないし「ｈ」に沿って除去され得る。
【００７２】
蛇行、および蛇行と非−蛇行電極の組合せの変形例を用い、多くの変形例が存在する。図３と５のいずれかの電極デザイン、またはそれの変形が使用し得る。電極幾何図形的配列の選択は、適用の選択に依存されるだろう。該電極のマーク／間隔比の変化の割合の変更は、分離されるべき粒子に効果的に依存させることができる。例えば、マーク／間隔比の線形または非−線形増加が使用できる。これら変形例の使用によって、非常に希薄な相違を持った粒子が分離および選択的に除去できる。
【００７３】
たとえ電極アレイが定常ＤＥＰ場を印加するのにも使用できるとしても、図２ないし８に関して前記した全ての例は、進行波誘電泳動に関係する。図９に現に言及している、定常誘電泳動用に好適な一連の蛇行電極が示される。該電極４８は、「Ｖ」字形であり、対間ギャップＰより実質的により大きくされている電極間ギャップＥを持った平行な対の中に配置される。対における各々の電極は、電気的コネクタ５０，５２に接続を形成する対がシグナル源５４の反対側に結合した他の電極を越えて一方の側状に突出する。
【００７４】
典型的には、電極４８とコネクタ５０，５２は電極４８がまた名目上は４０ミクロンの電極間ギャップＥを持った名目上４０ミクロン厚の金電極とし得るならば、フォトリソグラフィーによってガラス側上に形成されるだろう。対間ギャップＰは名目上２００−１０００μｍである。電極を持つスライドは、典型的には図にに示すようにスペーサとカバーとともにセル内に形成されるであろうし、該チャンバー高さは５０から３００ミクロンの間となっているだろう。しかしながら、定常誘電泳動用に、周知であるように、図９Ａ中に矢印により示したように移動を生じさせるようフロー系が粒子懸濁液により提供される必要がある。そのようなフロー系は、機械的なシステムとしてよく、また流れは該電極アレイに適当な電気的信号を印加する周知の電気流体力学効果によりもたらし得る。
【００７５】
もし懸濁液中の粒子の一つの型が周知のＤＥＰ原理に従って、強い負のＤＥＰ力が存在するセルを通って流れるそのような周波数で該電極にシグナルが印加されたなら、そのような粒子は電極４８の最大曲率の領域に向かって濃縮されるであろうし、一方電極を越えて流れる他の粒子およびより弱い力を受けている粒子は相対的に影響を受けないであろう。粒子富化はそれ故に達成される。
【００７６】
反対方向の粒子進行が衝突無しに矢印で示されたチャネル領域中に進行する場合、図３Ａの配置は交通整理システムをさす。図４Ａないし４Ｆは、図３Ａの配置の電極を示す。これらの電極は非常に浅いまたは平坦な正弦曲線の形状である。あるいは、より明白かつ急激な正弦極性は、図１０中に示されるように使用し得る。図１０から、より急激な正弦曲線電極の結果がより明確な転移領域、すなわち該チャネル間の領域であることが明白に見られる。電極間ギャップが、それらが転移領域中にあるよりも該チャネルの中央において顕著により大きいこともまた明白に見られる。
【００７７】
電極アレイを交差する電極間ギャップにおける変形の結果は限局の空中浮揚勾配である。チャネル領域において、粒子はより高く空中浮揚するであろう一方、転移領域において、それらはより低い高さに空中浮揚するであろう。チャネル中央において、該粒子は最も高く空中浮揚するであろう一方、転移領域の中央において、それらは最も低く空中浮揚するであろう。この効果は分離のために非常に有効性を高め得る。
【００７８】
もし定常ＤＥＰ空中浮揚場が、または該粒子のために並進ＴＷＤ力が最小化される場合に進行ＤＥＰ場が適用されるなら、該粒子は電極および基体の上に空中浮揚するであろう。これは、基体から離れた粒子を維持するため、および粒子粘着および凝固を最小化するために有効である。実際に、該粒子の適用の前にそのような場を適用することが好ましい。図１０の電極へのそのような場の印加および、数秒後にそれらにわたって粒子の配置は、該粒子が限局空中浮揚勾配のためチャネル領域の外に移動するならば、粒子は該チャネル間の転写領域に濃縮されると見ることができる。より強い空中浮揚力を受けている粒子はより迅速に移動するであろう。該粒子が転移領域中に濃縮されている後、印加されているＴＷＤ場は、それらのそれぞれのチャネルの中に、および沿って移動している強いＴＷＤ並進力を受ける粒子をもたらすであろう。限局空中浮揚勾配の結果として、該チャネルは優先的に粒子フリーとなり、滞っていないそれに沿って自由に進行することを、強い並進ＴＷＤ力下の粒子に許し、分離効率を改善するであろう。
【００７９】
該限局空中浮揚勾配は更なる適用を有する。弱い並進ＴＷＤ力さらに強い空中浮揚力を受ける粒子は、誘電泳動セルに沿って依然として移動するであろうが、しかし並進ＴＷＤ力は該空中浮揚勾配に打ち勝つために不十分であろう。該粒子は、こうして転移領域内に移動するのを制限されるだろう。これは、該チャネル中で強い並進ＴＷＤ力を受けている粒子の迅速な移動からこれら粒子を維持することに使用できる。これは、衝突するのを避ける反対方向へ進行している粒子であるばかりでなく、速くおよび遅く移動している粒子も互いに分離される二次交通整理システムとして見なすことができる。異なる電極幾何図形的配列は、これを増強するか、または最小化するために選択できる。更なる変形例として、この限局空中浮揚勾配は、液流との結合に使用できる。少量の液流は、非常に弱く並進力ＴＷＤ力を受けるか、または受けていない粒子を移動するためチャネル中に適用し得る。該液流は、誘電泳動セル外部のソースから印加でき、またはより好ましくは、シグナルは、周知であるように、液流を誘導するＴＷＤ電極に印加し得る。その結果は、弱い液流は強いＴＷＤ並進力を受ける粒子への作用を最小限にするであろうし、一方非常に弱いか、または並進ＴＷＤ力を受けていない粒子は転移領域内に誘電泳動セルに沿って移動し、かくして該チャネル中に移動する粒子は混乱しないであろう。流体力学的液流を伴うそのような手法における粒子の移動は、いずれかの電極配置で、およびＴＷＤ力でまたはそれ無しで保証され得る。
【００８０】
分離が広く異なる濃度を持つ粒子の懸濁液において保証される時、もし条件が、ＴＷＤ場において反対方向に該粒子が進行されるように選択できるならば、それは目的の分離において有効となる。このケースにおいて、図３Ａ，３Ｆ，４および１０の電極を修飾することが有効となり得る。示した図において、反対方向に進行する粒子のためのチャネルは同じ幅である。該チャネルの幅は、それらに進行する粒子の濃度において分離により密接に反映するように変更し得る。これは、粒子移動および分離のために電極アレイの使用をより有効とするであろうし、取り扱うより高い濃度の許容を促進し得る。
【００８１】
実施例は、本発明による蛇行またはジグザグ電極が電極アレイのエリアおよびチャンバーのエリアまたは領域から粒子を富化するおよび／または排除するおよび／または包含する両方のために定常および進行電場の両方を使用できることが示されている。これは、粒子の群または個別の粒子を特徴付ける、分離する、および／または同定するための多くの適用を有している。定常流体または液流の両方が、使用される外部力として、電極アレイと結合において使用できる。正のおよび負の誘電泳動力の両方が、電極に利用し得る。非常に高濃度の粒子の継続分離は可能である。これら電極アレイと優先的な負のＤＥＰ力の利用によって、細胞捕捉無しに用いられ、且つそのように相対的に少ない電極アレイは、結果として得られるサンプルの富化に関して、非常に大きい粒子濃度と非常に大きい容積を取扱うために使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は従来のＤＥＰで用いられる城郭形電極を示す。
【図２】 図２は進行波誘電泳動（ＴＷＤ）システムの概要を示す。
【図３】 図３Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，ＦおよびＧはＴＷＤ電極の各種の配列を示す。
【図４】 図４Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，ＥおよびＦはＴＷＤによる粒子の実験的分離の連続写真である。
【図５】 図５は２つ以上の異なる型の２つの粒子を分離するために特に好ましいＴＷＤ電極のアレイを示す。
【図６】 図６はＴＷＤ電極の代替のアレイを概略的に示す。
【図７】 図７は蛇行ＴＷＤ電極の代替の配列を示す。
【図８】 図８は通常および蛇行ＴＷＤ電極アレイの組合せを示す。
【図９】 図９Ａと９Ｂは定常誘電泳動用の電極のアレイおよび該アレイ用に適当な電気的接続をそれぞれ示す。
【図１０】 図１０は図３Ａの変形例を示す。

Claims (29)

1. 細長い電極のアレイ（２２）と、該電極に少なくとも１つの電気的シグナルを印加するための手段（２６）とを含み、粒子を特徴付け、操作および分離できる誘電泳動セルであり；ここに
   各電極はその長手方向に沿って概念的中心軸を有し、各電極は該概念的中心軸からの１つ以上の偏位を有し、および該アレイ中の該電極は見当合わせされた状態にあり、電極間間隔の変動は、少なくとも１つの粒子チャネルを生起させる誘電泳動（ＤＥＰ）セル（２０）。
2. 該電極が蛇行形状である請求項１に記載のＤＥＰセル。
3. 該蛇行電極が正弦曲線形状である請求項２に記載のＤＥＰセル。
4. 該蛇行電極が半正弦曲線形状である請求項２に記載のＤＥＰセル。
5. 該蛇行電極が細長い「Ｃ」形状である請求項２に記載のＤＥＰセル。
6. 該蛇行電極が直線側腕間が結合した片半正弦曲線形状である請求項２に記載のＤＥＰセル。
7. 該電極がジグザグ形状である請求項１に記載のＤＥＰセル。
8. 該電極が正弦曲線の直線近似である請求項１に記載のＤＥＰセル。
9. 一方の側の概念的中心軸からの偏位の曲率が他方の側の偏位の曲率と異なり、それによって異なる幅の粒子輸送チャネルが提供される請求項２，３，７または８のいずれか１に記載のＤＥＰセル。
10. 各電極の最大曲率の位置が直線配列中に配置される請求項１〜９のいずれか１に記載のＤＥＰセル。
11. 各電極の最大曲率の位置が非−直線配列中に配置される請求項１〜８のいずれか１項に記載のＤＥＰセル。
12. 各電極の最大曲率の位置が曲線に沿って配置される請求項１１に記載のＤＥＰセル。
13. 該電極が蛇行形であると共に各々が２つの正弦曲線を含み、かつ該正弦曲線の最大曲率の位置が発散曲線に沿って配置される請求項１２に記載のＤＥＰセル。
14. 正弦曲線または半正弦曲線電極の第１の中心アレイ、（Ａ）該電極の該軸は真っ直ぐかつ平行になっており、および正弦曲線または半正弦曲線電極の第２の外側アレイ、（Ｂ）該電極の該軸は嵌め合わされた「Ｕ」字形になっており、を含み、該第１および第２のアレイとは独立して異なる相の電気的シグナルを印加する手段（２６）が設けられている請求項１〜４のいずれか１記載のＤＥＰセル。
15. 該電極が対（４８）で並べられ、該電極間間隔は、対間間隔より実質的に大きい請求項１〜１２のいずれか１記載のＤＥＰセル。
16. 請求項１〜１５のいずれか１記載のＤＥＰセル（２０）、透明の物質で形成された該セルの少なくとも１部分；該セルを照射するための手段；および該セルを介して伝達されるまたはそれから反射される照明を受領するための手段を含む誘電泳動システム。
17. 該少なくとも１つのチャネルが、少なくとも２つの整列されたチャネルを含む請求項１に記載のＤＥＰセル。
18. 該少なくとも２つの整列されたチャネルの隣接するチャネルが、反対方向での粒子輸送のためである請求項１７に記載のＤＥＰセル。
19. 延長した電極（２２）のアレイの近傍に液体中粒子の懸濁液を配置させ、ここで各電極はその長手方向に沿って概念的中心軸を有し、該電極は該概念的中心軸からの１つ以上の偏位を有しており、次いで該アレイに少なくとも１つの電気的シグナルを印加し、ここに、電極間間隔の変動が、少なくとも１つの粒子チャネルを生起させることを特徴とする誘電泳動方法。
20. 該電気的シグナルの周波数が該懸濁液中の選択された粒子型において負の誘電泳動応答を生じるように選択されると共に該電極アレイ（２２）を交差した懸濁液の流れをもたらすための手段がさらに設けられている請求項１９に記載の方法。
21. 該懸濁液の流れをもたらす手段が電極アレイに印加した電極シグナルである請求項２０に記載の方法。
22. 異なる相の電気的シグナルが該電極に印加され、それにより、進行波電場が該粒子に進行波ＤＥＰ力を誘導し、該力の実数部分が該粒子を空中浮揚させ、さらにそれの虚数部分が該進行場の中心領域に該粒子を移動させる請求項１９に記載の方法。
23. 該電極アレイに電気的シグナルを印加し、それにより、静的なＤＥＰ場を該粒子の最初の空中浮揚をもたらすように発生させる最初の工程をさらに含む請求項２２に記載の方法。
24. 該電極アレイに電気的シグナルを印加し、それにより、該粒子が最初に空中浮揚するが並進力を受けないような周波数で進行波電場が発生する最初の工程をさらに含む請求項２２に記載の方法。
25. 該懸濁液が粒子の第１および第２の型の懸濁液を含み、粒子の型の濃度が少なくとも１０００のファクターで相違しており、および電極（２２）のアレイの形状が該粒子の型が分離されるように選択される請求項１９に記載の方法。
26. 電極（２２）のアレイの形状が、液流を機械的に束縛するものと粒子との接触を防ぐように選択される請求項２５に記載の方法。
27. 粒子の懸濁液の濃度がミリリットル当たり百万セルよりも大きい請求項１９に記載の方法。
28. 該少なくとも１つのチャネルが、少なくとも２つの整列されたチャネルを含む請求項１９に記載のＤＥＰ方法。
29. 該少なくとも２つの整列されたチャネルの隣接するチャネルが、反対方向での粒子輸送のためである請求項２８に記載のＤＥＰ方法。

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